波黑某發(fā)電工程中控制變壓器的應(yīng)用

龍 軍

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

波黑某發(fā)電工程中控制變壓器的應(yīng)用

龍 軍

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

對波黑某發(fā)電工程低壓交流電動機(jī)的交流控制電源采用控制變壓器供電的方式做了介紹，對控制變壓器相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求及其二次側(cè)接地方式進(jìn)行了探討，供類似工程借鑒。

燃控制變壓器；微型斷路器；交流控制電源。

1 問題提出

我院參與設(shè)計(jì)的波黑某300 MW燃煤發(fā)電項(xiàng)目中，業(yè)主及來自AF-Consult Switzerland Ltd.的咨詢工程師在施工圖階段圖紙審查時(shí)，對400 V低壓開關(guān)柜二次圖紙?zhí)岢隽溯^多的修改意見。審查意見中較為特殊的一條是要求400/230 V低壓開關(guān)柜內(nèi)的交流電動機(jī)以及輔機(jī)電動機(jī)配套電控箱內(nèi)的二次交流控制電源必須經(jīng)過控制變壓器供電。

該波黑燃煤發(fā)電工程的低壓廠用電系統(tǒng)采用400/230 V中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，低壓交流電動機(jī)一次供電回路采用“塑殼斷路器+接觸器+馬達(dá)保護(hù)器”的接線方式，二次交流控制電源電壓為230 V。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，按國內(nèi)典型做法，低壓交流電動機(jī)的交流230 V控制電源直接取自電動機(jī)主回路塑殼斷路器下端頭的A相及中性線N，并經(jīng)微型斷路器引至二次控制回路。業(yè)主及咨詢工程師不認(rèn)可此方式，認(rèn)為交流控制電源如直接取自一次主回路，在二次回路發(fā)生短路故障時(shí)，二次回路微斷會先于一次回路塑殼斷路器動作，由于短路點(diǎn)靠近母線，短路電流可能會超過微斷額定短路分?jǐn)嗄芰?，造成微斷觸頭瞬間燒熔和二次回路不分?jǐn)啵瑖?yán)重時(shí)會導(dǎo)致二次元器件燒毀。因此，審查意見要求電動機(jī)二次交流控制電源必須經(jīng)過控制變壓器供電，認(rèn)為此方式在降低短路電流同時(shí)能使一次、二次回路隔離，增加二次回路安全性。

針對業(yè)主提出的這種故障情況，我們也和部分電廠運(yùn)行人員進(jìn)行了溝通，了解到雖然抽屜柜二次回路發(fā)生短路故障的幾率非常低，但是運(yùn)行中的確發(fā)生過此類故障并造成微斷燒毀的案例。我們向業(yè)主提出了將微斷更換為熔斷器的方案，但業(yè)主認(rèn)為熔斷器雖然可較好解決此問題，但熔斷器動作后須更換熔斷體，運(yùn)行維護(hù)不方便且保護(hù)功能較單一，仍然堅(jiān)持二次交流控制電源應(yīng)經(jīng)過控制變壓器供電。

2 規(guī)程要求及國內(nèi)工程應(yīng)用情況

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)電力行業(yè)常用的設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)中沒有與控制變壓器相關(guān)的條文要求，僅在“GB/5226.1－2008機(jī)械安全 機(jī)械電器設(shè)備第1部分 通用技術(shù)要求”(等同于IEC 60204－12005)中找到了相關(guān)設(shè)計(jì)依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)第9.1.1條“控制電路電源”提出，“控制電路由交流電源供電時(shí)應(yīng)使用變壓器供電”，同時(shí)規(guī)定“用單一電動機(jī)啟動器和不超過兩只控制器件的機(jī)械(如聯(lián)鎖裝置、起/停控制臺)不強(qiáng)制使用變壓器”，由此可知，國標(biāo)GB/5226.1－2008和IEC 60204－1 2005標(biāo)準(zhǔn)中對單一電動機(jī)回路的交流控制電源要求使用控制變壓器供電，但不強(qiáng)制使用控制變壓器。GB/5226.1－2008標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)機(jī)械電氣設(shè)備上通用的安全標(biāo)準(zhǔn)，使用范圍廣，規(guī)定了許多通用技術(shù)要求，該標(biāo)準(zhǔn)并不特定針對電力行業(yè)中的低壓電氣設(shè)備，但發(fā)電廠相關(guān)低壓電氣設(shè)備應(yīng)參考執(zhí)行。

據(jù)了解，在西方及歐洲一些發(fā)電項(xiàng)目或國內(nèi)早期引進(jìn)機(jī)組中，控制變壓器實(shí)際上被廣泛的應(yīng)用在低壓交流電動機(jī)的交流控制回路中，部分工程甚至采用專用UPS作為電動機(jī)的交流控制電源或直接采用直流電源，如外高橋電廠二期工程。而國內(nèi)發(fā)電工程中由于設(shè)計(jì)習(xí)慣原因，低壓電機(jī)交流控制電源一般經(jīng)微型斷路器直接取自該電動機(jī)一次主回路，鮮有工程采用控制變壓器供電。國內(nèi)設(shè)計(jì)的發(fā)電工程中采用控制變壓器主要針對以下幾種特殊情況：

(1)低壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)采用不接地方式或高阻接地方式時(shí)，為了取得交流220 V控制電源而采用變比為380 V/220 V的控制變壓器，用于將一次主回路380 V電源變?yōu)榭刂苹芈沸枰?20 V電源。如我院設(shè)計(jì)的安徽華電宿州一期2×600 MW工程和華能福州電廠三期擴(kuò)建工程，其主廠房低壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)采用高阻接地方式，每臺低壓電動機(jī)交流控制回路中設(shè)置了380 V/220 V控制變壓器，布置在各個抽屜柜內(nèi)。

(2)部分國外工程要求所有交流控制電源采用110 V或者其他規(guī)定電壓等級時(shí)，控制回路增加控制變壓器以取得規(guī)定的電壓。如印度BARETHI 4×660 MW BOP發(fā)電工程的招標(biāo)文件中明確要求“MCC control supply∶ 110 V AC Neutral solidly earthed…….,Each bus－section of all switchgears and MCCs shall be provided with two (2) nos.415 V/110 V control transformers……，The control supply to different modules shall be tapped individually from the control supply busbars.”。

(3)低壓開關(guān)柜內(nèi)選用的二次元器件電源電壓較為特殊，與全廠交流控制電源電壓不同時(shí)。如部分合資馬達(dá)保護(hù)器輔助電源要求采用直流48 V。

3 波黑工程控制變壓器設(shè)置方案

低壓交流電動機(jī)的交流控制電源采用控制變壓器供電，一般可采取以下兩種方案實(shí)現(xiàn)。

(1)方案1是針對每段低壓PC、MCC開關(guān)柜設(shè)置2個400 V/230 V控制變壓器為整段電動機(jī)提供二次交流控制電源，2個控制變壓器互為備用并自動切換，一同布置在每段PC、MCC段進(jìn)線開關(guān)柜的下部空間內(nèi)。控制變壓器一次側(cè)電源經(jīng)空開直接取自每段PC/MCC開關(guān)柜主母線的A、C相，二次側(cè)經(jīng)自動切換回路后采用控制小母線方式貫通整個PC/MCC開關(guān)柜，單臺電動機(jī)交流控制電源經(jīng)微斷取自控制小母線。需要注意的是，由于該方案電動機(jī)接觸器控制電源不是取自本回路斷路器下端頭，因此應(yīng)增加接觸器控制回路與本回路斷路器的聯(lián)鎖接線，以便斷路器跳閘后聯(lián)鎖斷開接觸器線圈電源。

控制變壓器的容量計(jì)算宜按整段母線控制回路最大工作負(fù)載所需要的功率考慮，對于接有I類電動機(jī)的母線段還應(yīng)考慮I類電機(jī)同時(shí)自起動時(shí)接觸器的吸合功率，計(jì)算出的變壓器容量應(yīng)乘以一個變壓器容量儲備系數(shù)，可取1.1～1.25。波黑工程母線段控制變壓器選型為BK－3000 VA，AC 400/230 V。

采用方案1后，整段電動機(jī)的交流控制電源由一個控制變壓器提供電源，工作控制變壓器故障雖然會迅速切換到備用控制變壓器供電，但切換造成的晃電現(xiàn)象仍會導(dǎo)致整段交流控制電源短時(shí)消失，可能造成電動機(jī)一次回路接觸器釋放，因此存在一定的安全隱患。但本工程重要低壓電動機(jī)的馬達(dá)保護(hù)器均采用直流供電并帶有完善的晃電重啟功能，電動機(jī)接觸器在控制電源切換至備用控制變壓器后會重新吸合，同時(shí)考慮到控制變壓器故障幾率極低，此方案仍然可行。

(2)方案2是每個電動機(jī)交流控制回路單獨(dú)設(shè)置一個400 V/230 V控制變壓器，僅對該電動機(jī)二次控制回路供電，布置在抽屜柜內(nèi)?？刂谱儔浩魅萘堪幢净芈方佑|器吸合功率考慮即可，一般可選用BK－100 VA或BK－150 VA，AC 400/230 V。采用該方案的優(yōu)點(diǎn)是本工程前期二次回路設(shè)計(jì)原則不修改，僅在原回路增加一個控制變壓器和保護(hù)用的微斷，二次回路簡單、清晰，獨(dú)立性好，單個控制變壓器故障不影響其他回路。由于波黑發(fā)電項(xiàng)目外方要求較高，低壓電動機(jī)抽屜柜內(nèi)已布置了較多的二次元器件，早已沒有額外的空間用于布置該控制變壓器和微斷，此方案實(shí)施起來很困難。

經(jīng)過與業(yè)主及咨詢工程師討論后，波黑項(xiàng)目最終采用的是方案1，即每個低壓PC/MCC母線段設(shè)置2個互為備用的控制變壓器，為整段交流電動機(jī)提供二次交流控制電源。對于各個輔機(jī)電動機(jī)成套配供的就地電控箱，由相關(guān)廠家在電控箱內(nèi)設(shè)置控制變壓器提供交流控制電源。經(jīng)查看各成套廠早期提供的輔機(jī)電控箱圖紙，發(fā)現(xiàn)有少數(shù)電控箱交流控制電源已采用控制變壓器供電，多數(shù)電控箱設(shè)計(jì)的交流控制電源還是直接取自相線和中性線。

4 控制變壓器二次側(cè)接地方式

控制變壓器二次側(cè)可采用接地或者不接地兩種方式，具體采用哪種方式應(yīng)根據(jù)具體使用場合來確定。我們可從規(guī)范中找到相關(guān)依據(jù)，GB/5226.1－2008在第9.4.3.1條提出了“控制電路的接地故障不應(yīng)引起意外的起動、潛在的危險(xiǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)或妨礙機(jī)械的停止”的要求，為滿足這一要求條文提出可以采用的三種方法，其中一種方法即為采用控制變壓器供電的情況。該方法提出了采用控制變壓器供電的控制電路，其二次側(cè)可采用接地或不接地兩種方式(即條文中的“連接到保護(hù)聯(lián)接回路”，發(fā)電廠中的“保護(hù)聯(lián)接回路”一般指發(fā)電廠主接地網(wǎng))，并提出當(dāng)控制電路電源采用接地方式時(shí)，為避免接地故障造成電動機(jī)意外起動或不能停車，二次回路上應(yīng)注意的一些具體接線要求，而在采用不接地方式時(shí)，可免去這些接線要求。實(shí)際上，上述條文要求與“GB 50055－2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范”的2.5.2條，即“當(dāng)TN或TT系統(tǒng)中的控制回路發(fā)生接地故障時(shí)，控制回路的接線方式應(yīng)能防止電動機(jī)意外起動或不能停車”以及對應(yīng)的條文解釋是完全類似的。因此，規(guī)范中并沒有對采用控制變壓器供電時(shí)二次側(cè)接地適用的場合做出具體規(guī)定，而僅說明了采用接地或者不接地時(shí)，在二次接線及保護(hù)器件配置上的相關(guān)要求。

具體到波黑發(fā)電項(xiàng)目，如控制變壓器二次側(cè)接地，其接地方式與一次電源系統(tǒng)一樣,為TN供電系統(tǒng),保證了全廠低壓系統(tǒng)接地方式的一致性，此時(shí)任一電動機(jī)控制回路發(fā)生接地故障,本回路微斷動作導(dǎo)致接觸器線圈釋放電動機(jī)停運(yùn)。如采用不接地方式, 控制回路任何一點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)電動機(jī)能繼續(xù)堅(jiān)持工作,但在發(fā)電廠中此方式存在以下問題：

(1) 控制變壓器采用不接地方式后，發(fā)生接地故障時(shí)為盡快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，有必要裝設(shè)絕緣監(jiān)測裝置。由于發(fā)電廠低壓交流電機(jī)數(shù)量眾多，若在每個電動機(jī)控制回路都安裝此裝置，不僅造成投資過大性價(jià)比極低，而且是否有此類成熟產(chǎn)品以及抽屜柜內(nèi)是否有足夠空間安裝也是一個問題。

(2) 低壓交流電動機(jī)外圍二次控制回路較多,例如控制回路會引至遠(yuǎn)方DCS/PLC程控系統(tǒng)以及電動機(jī)旁的就地操作按鈕,特別是輸煤皮帶電動機(jī)二次控制回路中存在較多的拉線開關(guān)以及其他一些聯(lián)鎖接點(diǎn)，導(dǎo)致二次控制回路復(fù)雜、控制電纜很長。發(fā)生接地故障后，雖然電動機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，但麻煩的就是尋找故障點(diǎn)，如沒有合適的手段發(fā)現(xiàn)問題在哪個回路，其可靠性反而不如接地系統(tǒng)。

(3) 控制變壓器采用不接地方式的主要目的是提高可靠性，防止二次回路出現(xiàn)單點(diǎn)接地時(shí)影響設(shè)備運(yùn)行。然而發(fā)電廠重要的輔機(jī)電動機(jī)大都冗余配置，互為備用，工作電機(jī)故障后會馬上聯(lián)起備用電機(jī)，一般不會影響機(jī)組運(yùn)行。因此，發(fā)電廠中為提高可靠性而采用不接地方式意義不是太大。

當(dāng)然，控制變壓器采用不接地方式的好處也是顯而易見的?？刂谱儔浩鞑唤拥厥沟靡淮蝹?cè)與二次側(cè)在電氣上完全絕緣，此時(shí)二次回路對地電容電流極小不足以對人身造成傷害，起到了保護(hù)人身安全和隔離危險(xiǎn)電壓的作用。該方式比較適合供電范圍較小、線路較短的場合，例如沒有外圍二次回路的就地控制配電箱中，此時(shí)該控制變壓器起到了安全隔離作用，相當(dāng)于隔離變壓器。

最終波黑發(fā)電項(xiàng)目中電動機(jī)交流控制回路中的控制變壓器二次側(cè)均采用接地方式，與一次電源系統(tǒng)同為TN供電系統(tǒng)。

5 建議

發(fā)電廠中低壓交流電動機(jī)的交流控制電源直接取自本供電回路還是經(jīng)過控制變壓器供電，從技術(shù)上來看應(yīng)該屬于國內(nèi)國外兩種不同的習(xí)慣做法，但個人認(rèn)為采用控制變壓器的做法較國內(nèi)傳統(tǒng)做法更為合理，二次回路的獨(dú)立性和安全性都得到較好保證，建議國內(nèi)發(fā)電工程加以考慮。另外，控制變壓器二次側(cè)是否接地宜根據(jù)該變壓器具體使用場合確定，對發(fā)電廠低壓電機(jī)交流控制電源中采用的控制變壓器建議二次側(cè)采用接地方式。

[1] GB/5226.1－2008，機(jī)械安全機(jī)械電器設(shè)備 第1部分 通用技術(shù)要求[S]．

[2] GB 50055－2011，通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

Application of Control Transformer in a Power Engineering Bosnia and Herzegovina

LONG Jun
(Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd., Chengdu 610021, China)

This article introduces some applications about control transformer which shall be used in LV AC motor’s AC control power circuit in a power plant of Bosnia and Herzegovina, discusses the relevant design specifications requirements for control transformers and its secondary side grounding mode, which provides a reference for the similar project.

control transformer; miniature circuit breaker; AC control power supply.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0048-03

2015-11-10

龍軍(1978- )，男，四川仁壽人，高級工程師，從事發(fā)電廠電氣二次線設(shè)計(jì)工作。